馬賽飛， 劉　鈞， 馬尚昌,3

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100000；3.中國氣象局 大氣探測重點開放實驗室, 四川 成都 610225)

智能溫度傳感器系統(tǒng)設(shè)計*

馬賽飛1， 劉鈞2， 馬尚昌1,3

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100000；3.中國氣象局 大氣探測重點開放實驗室, 四川 成都 610225)

摘要:氣象站在溫度測量中，需要精度高的溫度數(shù)據(jù)，而且實時數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程獲得和設(shè)備方便攜帶成為一種趨勢。為了滿足智能氣象站對溫度測量的高精度和無線傳輸要求，提出了使用感應(yīng)器件鉑電阻Pt100與數(shù)據(jù)處理模塊通過4芯屏蔽電纜連接，采用四線制引線方式，設(shè)計出基于ZigBee模塊的鉑電阻溫度傳感器系統(tǒng)。通過傳感器應(yīng)用軟件的編寫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，傳輸給集成處理器，最終實現(xiàn)對溫度的采集。經(jīng)過測試，該傳感器具有測量范圍廣，性能優(yōu)異，誤差范圍小，易于調(diào)試等優(yōu)點，能夠滿足智能氣象站溫度采集的需求。

關(guān)鍵詞:智能氣象站； Pt100； ZigBee； 溫度傳感器

0引言

現(xiàn)代社會的很多方面都與溫度測量有著十分密切的關(guān)系，溫度作為一個重要的物理量，與人們的生活環(huán)境、生產(chǎn)活動和科學(xué)研究等領(lǐng)域密切相關(guān)，是自然界中和人類息息相關(guān)的物理參數(shù)之一[1],實時有效的溫度計量和監(jiān)測在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)各部門具有重要影響力和非常廣泛的應(yīng)用。溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個很普遍的測量參數(shù)[2]，它可以通過物體隨溫度的變化的某些特征來間接測量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新，溫度測量范圍要求不斷擴(kuò)大，溫度測量的精確性要求不斷提高。在溫度的計量和監(jiān)測中，要將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杽t離不開溫度傳感器。隨著各種電子產(chǎn)品的便攜化，可用于片上測溫的集成溫度傳感器的發(fā)展便越趨灼熱化。傳感器屬于信息技術(shù)的前沿尖端產(chǎn)品，尤其在氣象探測領(lǐng)域，由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首位，約占50 %[1]。傳統(tǒng)氣象站溫度傳感器必須接入主采集器進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的傳輸，需要解決傳統(tǒng)氣象站需要大量布線以及偏遠(yuǎn)地區(qū)人工讀取數(shù)據(jù)困難的問題[2]，就要對溫度傳感器系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

本文設(shè)計加入ZigBee無線傳輸模塊[3]，同時采用四線制，設(shè)計了可以無線傳輸溫度數(shù)據(jù)的Pt100鉑電阻智能溫度傳感器系統(tǒng)，可以應(yīng)用于智能氣象站中的溫度測量，滿足數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實時性要求[4]。

1傳感器方案設(shè)計

由于鉑電阻的性能穩(wěn)定，測量溫度范圍寬，抗振抗沖擊性好，測量精度高[5,6]，所以,在標(biāo)準(zhǔn)測量裝置和高精度的溫度測量中經(jīng)常使用鉑電阻制成溫度傳感器。按照IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在常用的Pt100是以溫度系數(shù)TCR=0.003 851為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一設(shè)計的鉑電阻。其阻值與溫度的關(guān)系為

當(dāng)-200 ℃

Rt=R0[l+At+Bt2+C(t-100)t3]

(1)

當(dāng)0 ℃

Rt=R0[1+At+Bt2]

(2)

式中Rt為在t ℃時的電阻值,Ro為在0 ℃時的電阻值(一般為100Ω)，A=3.908 3×10-3℃-1，B=-5.775×10-7℃-2，C=-4.183×10-12℃-4。

系統(tǒng)采用鉑電阻Pt100作為溫度感測元件[7],為消除內(nèi)引線電阻帶來的誤差，同時消除連接導(dǎo)線的誤差[8]。采用四線制接入方式，接入硬件電路數(shù)據(jù)處理模塊，進(jìn)行溫度傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)，使用鋰電池進(jìn)行供電并且配有太陽能板可對其進(jìn)行充電。系統(tǒng)處理器通過各個引腳控制外圍電路，實現(xiàn)對溫度要素的采集與無線傳輸。傳感器系統(tǒng)適配各種微控制器，在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)采集、傳輸功能，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。同時為了更好地對觀測數(shù)據(jù)的解析和軟件算法實現(xiàn)，采用統(tǒng)一的質(zhì)量控制標(biāo)識碼。氣象要素設(shè)備級數(shù)據(jù)采樣算法和質(zhì)量控制，是獲得準(zhǔn)確探測數(shù)據(jù)的重要過程。傳感器級質(zhì)量控制是基本的質(zhì)量控制，是對采樣值轉(zhuǎn)換為氣象要素的過程進(jìn)行質(zhì)量控制，其質(zhì)量控制對象為氣象要素的采樣值。

1.1系統(tǒng)硬件的構(gòu)建

本文設(shè)計的溫度傳感器系統(tǒng)由鉑電阻探頭、數(shù)據(jù)處理模塊組成。鉑電阻探頭采取不銹鋼封裝，不銹鋼外殼與鉑電阻器的良好接觸保證了良好的導(dǎo)熱性。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，不銹鋼外殼與傳輸線的屏蔽層應(yīng)相連。數(shù)據(jù)處理模塊包括硬件和應(yīng)用軟件，其中硬件包含高性能處理器(CPU)、高精度A/D轉(zhuǎn)換電路[9]、高精度時鐘電路、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、供電單元、通信接口、鉑電阻、監(jiān)控電路和指示燈等，傳感器中的數(shù)據(jù)處理模塊RS—232通信接口與外置電源接口統(tǒng)一采用一個5芯孔型航空插頭，其中1腳為電源正，2腳為電源負(fù)，3腳為TX，4腳為RX，5腳為RS—232的GND。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖Fig 1　Constitution diagram of system hardware

為了減小傳感器體積，采用內(nèi)置鋰電池供電，外置電源接口連接太陽能板或其他充電設(shè)備，通過電源轉(zhuǎn)換模塊給內(nèi)置電池充電，外接電源供電電壓為5～15V。無線通信天線應(yīng)選用頻率2.4GHz、增益<12dBi的天線，安裝位置須能保障正常通信。自帶高精度實時時鐘，時鐘走時誤差不大于1s/日，接受集成處理器定時校時，校時誤差小于1s。選擇16位以上的A/D轉(zhuǎn)換電路、滿足傳感器測量精度要求。程序存儲器為非易失性的、容量應(yīng)滿足應(yīng)用軟件容量要求，并具有50 %的余量。數(shù)據(jù)存儲器選擇非易失性的、容量滿足數(shù)據(jù)存儲需要，并有50 %余量。天線接口用于安裝ZigBee外置天線，RS—232/485/422接口用于串口通信與調(diào)試，鉑電阻接口用于連接感應(yīng)器件Pt100鉑電阻。同時外接電路還有系統(tǒng)運行狀態(tài)指示燈和通信狀態(tài)指示燈。

1.2應(yīng)用軟件的構(gòu)成

軟件主要分為三個功能模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要采集氣象信息，數(shù)據(jù)處理模塊主要完成采樣算法計算、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和存儲；數(shù)據(jù)上傳部分主要為集成處理器提供分鐘和5min氣象要素，其交互方式可采用串行通信或無線網(wǎng)絡(luò)通信。無線通信應(yīng)用軟件協(xié)議棧為Z-Stack2007Pro，RS—232通信協(xié)議設(shè)置為1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗，默認(rèn)9 600bit。軟件數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2　軟件流程圖Fig 2　Flow chart of software

2實現(xiàn)功能與測量性能

2.1實現(xiàn)功能

設(shè)計好的溫度傳感器具備基本的數(shù)據(jù)采集、處理、通信、存儲和傳感器級質(zhì)量控制等功能，輸出數(shù)字信號。能夠完成氣象要素采集，將采集到的信號處理成氣象數(shù)據(jù)，具有質(zhì)量控制，包括采樣值質(zhì)控和瞬時值質(zhì)控，自帶高精度實時時鐘，響應(yīng)集成處理器定時授時，并且時鐘走時誤差不大于1s/日，具有內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲功能，容量能滿足10天的分鐘觀測要素和狀態(tài)要素存儲要求，支持ZigBee無線傳輸和RS—232/485/422串口有線傳輸。傳感器在每整分鐘的5s內(nèi)將分鐘數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，分鐘數(shù)據(jù)即每分鐘進(jìn)行傳輸，每次上電時主動發(fā)送連接字符給集成處理器。

2.2測量性能

設(shè)計系統(tǒng)測量范圍為-50～50 ℃；分辨力為0.01 ℃；最大允許誤差為±0.1 ℃；時間常數(shù)為≤20s(通風(fēng)速度2.5m/s)；穩(wěn)定性為2年偏差在最大允許誤差內(nèi)。

3測試結(jié)果與應(yīng)用

測試前,將測試儀表ZX54型實驗室直流電阻箱(帶屏蔽線)與傳感器數(shù)據(jù)處理模塊電路板連接，再用串口線將電路板與電腦相連，通過串口調(diào)試助手查看所設(shè)計的傳感器好壞，是否顯示數(shù)據(jù)。采用WLR—2D型制冷恒溫槽對傳感器進(jìn)行測試，與精度0.01 ℃高精密自校式標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字測溫儀進(jìn)行溫度標(biāo)定[10]。待恒溫槽進(jìn)入恒溫階段后，根據(jù)性能指標(biāo)和標(biāo)定系數(shù)，測試時將鉑電阻探頭和高精密標(biāo)準(zhǔn)溫度計探頭一同置于制冷恒溫槽中，在-50～50 ℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)每隔10 ℃進(jìn)行一次溫度測量。在串口助手中發(fā)送命令，從電腦界面上查看串口輸出的數(shù)據(jù)是否已接近標(biāo)準(zhǔn)器數(shù)值，當(dāng)各個數(shù)值在相鄰時間內(nèi)的變化量接近于0時，即為穩(wěn)定狀態(tài)，此時進(jìn)行讀取并記錄下數(shù)據(jù)。溫度測量對比結(jié)果如表1所示。

表1　溫度測量對比結(jié)果(℃)

通過測試數(shù)據(jù)分析，本文設(shè)計的鉑電阻溫度傳感器在以上各測試點的最大溫度差為-0.06 ℃，符合設(shè)計要求的最小分辨力0.01 ℃，最大允許誤差為±0.1℃的要求。溫度傳感器溫度測量范圍(-50～50 ℃)和測量精度均能達(dá)到要求，使用效果良好。

最后將設(shè)計好的溫度傳感器放置在觀測場的百葉箱中，連接好鋰電池和太陽能板，進(jìn)行實驗，通過超級終端，集成處理器可以接收到溫度傳感器通過無線模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。在觀測場經(jīng)過長時間的測試，系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運行。

4結(jié)束語

本文設(shè)計的基于Pt100鉑電阻和ZigBee模塊的無線智能溫度傳感器系統(tǒng)，由內(nèi)置鋰電池供電，外置電源接口連接太陽能板或其他充電設(shè)備，恒流源驅(qū)動，采用四線制，同時加入無線模塊，實現(xiàn)了系統(tǒng)模塊化設(shè)計。經(jīng)實測：溫度傳感器在-50～+50 ℃溫度范圍內(nèi)，最大允許誤差優(yōu)于±0.1 ℃，最小分辨力為0.01 ℃，具有高精度、高可靠性、低功耗、便攜等特點。系統(tǒng)同時具備自動調(diào)零、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)、設(shè)備狀態(tài)自監(jiān)測等功能，解決了短距離無線通訊、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、傳感器無線組網(wǎng)管理等關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)具有一定的推廣和實用價值。

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Designofintelligenttemperaturesensorsystem*

MASai-fei1,LIUJun2,MAShang-chang1,3

(1.SchoolofElectronicEngineering，ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu610225，China;2.ChinaHuayunMeteorologicalScienceandTechnologyCorporation，Beijing100000，China；3.CMAKeyLaboratoryofAtmosphericSounding，Chengdu610225，China)

Abstract:In temperature measurement weather station,needs high precision temperature data,remote acquisition of real-time data and portable equipment has become a trend.Aiming at meeting requirements of high precision for temperature measurement and wireless transmission in intelligent weather station,propose using platinum resistance Pt100 induction device to connect with data processing module,through 4-core shielded cable,use the way of four-wire leads,a platinum resistance temperature sensor system based on ZigBee module is designed.By compiling sensor application software,processing data,transmit to integrated processor,complete collection of temperature.The results indicate that,the sensor has advantages of wide measurement range,excellent performance,small error range,easy to debug,etc,which can meet the needs of temperature collection of intelligent weather station.

Key words:smart weather station; Pt100; ZigBee; temperature sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0097—03

收稿日期：2016—03—08

*基金項目：國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目(2012YQ110205)

中圖分類號:TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)04—0097—03

作者簡介:

馬賽飛(1990-)，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，主要研究方向為大氣探測信息處理。